2.2 Гидравлический мостик на управляемых дросселях сопло-заслонка.

Конструктивная схема двухщелевого дросселирующего гидрораспределителя сопло-заслонка с золотником в качестве нагрузки приведена на рис. 2. Особенностью этого распределителя является его конструктивная симметрия. При изменении вязкости жидкости начальные давления в междроссельных камерах будут изменяться, но это изменение, поскольку оно для обеих камер одинаково, будет приводить только к изменению коэффициентов усиления системы, а нуль системы будет «уходить» лишь по причине неидентичности коэффициентов расхода соответствующих пар дросселей из-за технологических погрешностей.

С целью обеспечения симметричности характеристик гидропривода парные сопла должны иметь одинаковый расход рабочей жидкости. Обеспечение равного расхода практически невозможно вследствие влияния различных технологических погрешностей и поэтому допустимая разница в расходах составляет 5…10% от общего расхода при выбранном зазоре между соплом и заслонкой и заданной величине перепада давления на устройстве.

Гидравлический мостик сопло-заслонка (рис. 2) представляет собой устройство, состоящее из двух однощелевых гидрораспределителей (рис.2а), в одну диагональ которого включается нагрузка, а в другую источник питания.

Рисунок 2. Гидравлический мостик сопло-заслонка:

а – принципиальная схема гидравлического мостика, б – схема гидроусилителя сопло-заслонка, в – схема перемещения заслонки.

Гидравлический мостик обладает свойством усиления выходных сигналов по мощности, поэтому он широко используется в гидроусилителях, предназначенных для управления перемещением золотника с помощью энергии потока жидкости. В гидроусилителе сопло-заслонка (рис. 2б) в диагональ мостика в качестве нагрузки включается подвижный золотник, поджатый с двух сторон пружинами. С помощью пружин золотник перемещается на величину, пропорциональную отклонению золотника от своего нейтрального положения, т.е. пропорционально перепаду давления на золотнике. При отсутствии смещения заслонки, т.е. равенстве давлений с двух сторон золотника, пружины возвращают его в нейтральное положение.

Для анализа характеристик гидравлического мостика начало координат для отсчета перемещения заслонки расположим в среднем, нейтральном положении между соплами (рис.2в). за положительное перемещение заслонки (h>0) примем её перемещение справа налево, при котором увеличивается гидравлическое сопротивление левого дросселя сопло-заслонка. Зазоры между соплами и заслонкой определяются следующими зависимостями:

или в безразмерном виде:

h₀– зазор между соплом и заслонкой при ее нейтральном положении.

2.3 Гидравлические характеристики мостика с учетом собственного нерегулируемого сопротивления сопла.

Собственное сопротивление сопла представляет собой обобщенное гидравлическое сопротивление на пути жидкости от места присоединения диагонали до среза сопла.

Наибольшим из всех сопротивлений обладает насадка сопла. На расчетной схеме гидравлического мостика (рис. 3) собственное гидравлическое сопротивление обозначено как . Сопротивление сопла вызывает дополнительные потери энергии и ухудшает статические и динамические характеристики гидравлического мостика. С учетом гидравлических потерь на нерабочих участках сопла, характеризуемых коэффициентом расхода, система уравнений, описывающая параметры состояния мостика выглядит следующим образом:

Для удобства анализа харак4теристик введем понятия некоторых безразмерных коэффициентов:

- расчетное давление в узловой точке мостика, к которой присоединяется диагональ, приh=0;

- расчетное давление на срезе сопла приh=0;

- безразмерный коэффициент, характеризующий величину потерь давления на дросселе сопло-заслонка на участке между торцом сопла и заслонкой по отношению к потерям давления на постоянном дросселе;

- безразмерный коэффициент, характеризующий величину потерь давления на нерабочем участке дросселя сопло-заслонка по отношению к потерям давления на постоянном дросселе.

Уравнение силовой характеристики с учетом введенных обозначений при решении уравнений будет иметь вид

Влияет на силовую характеристику коэффициентов γ и показано на рис.3.

Рисунок 3. Влияние нерабочих участков сопла на силовую характеристику гидравлического мостика: а – коэффициент =0; б – коэффициент γ=1.

С увеличением собственного сопротивления сопла и коэффициента крутизна силовой характеристики и диапазон изменения давления уменьшается (рис.3). При γ>1 крутизна силовой характеристики в начале координат уменьшается, ухудшается линейность зависимости, но диапазон изменения давления увеличивается. При γ<1 силовая характеристика мостика существенно ухудшается, так как уменьшается диапазон изменения давления и падает крутизна нарастания давления.

В гидроусилителях, как правило, используется линейный участок силовой характеристики (рис.3б) при γ≥1 и коэффициенте ≤0,4…0,6.

Расчетное значение выбирается из условия, чтобы давление трогания, обусловленное трением золотника, не превышало 1…3% от давления. Собственное сопротивление сопла, определяемое коэффициентом, оказывает существенное влияние и на характеристику расхода жидкости в диагонали мостика. Зависимость расхода в диагонали припредставлена на рис. 4.

С увеличением коэффициента относительного сопротивления сопла крутизна нарастания расхода жидкости в диагонали мостика (рис.4) существенно уменьшается при малых значенияхh.

Рисунок 4. Характеристика расхода жидкости в диагонали при различных значениях коэффициента .

2.4 Определение конструктивных параметров элементов гидроусилителя.

Проектирование гидроусилителя необходимо начинать с процесса проектирования золотника. После определения конструктивных параметров золотника рассчитываются элементы гидроусилителя сопло-заслонка.

Расчетное значение давления выбирается из условия, чтобы давление страгивания золотникаопределяемого силами трения, не превышало 1…3% от давления. Сила трения золотника может быть вычислена приближенно, при допущении о смещении золотника к одной стороне (эксцентриситет золотника) и прижатия его к поверхности гильзы силами давления жидкости с учетом значения коэффициента трения материалов. При таком допущении сила трения будет максимальной. Кроме этого можно воспользоваться статистическими данными при их наличии.

Учитывая, что, как правило, используется зона линейности характеристик по давлению, ориентировочно при можно записать условие для давления:

при значениях γ≥1:

при значениях γ<1:

С учетом выражений для безразмерных значений коэффициентов β и γ давление р_си р_zопределяются:

По результатам полученных зависимостей можно вычислить значения давления в междроссельных камерах р_си р_z.

Постоянная времени гидроусилителя характеризует скорость смещения золотника. Скорость смещения золотника с расходом жидкости в диагонали мостика сопло-заслонка:

Учитывая, что чаще всего используется зона перемещения заслонки можно утверждать, что максимальный расход через сопла при нейтральном положении заслонки будет ориентировочно равен удвоенному значению расхода в диагонали.

При нейтральном положении заслонки расход через дроссель равен расходу через сопла. Выбирается конструкция постоянного дросселя, например, отверстие в тонкой стенки или втулка. В качестве первого приближения рекомендуется выбрать турбулентный режим течения и определить значение коэффициента расхода постоянного дросселя () .

При отсутствии перемещения заслонки, определяется диаметр постоянного дросселя, т.к. при нейтральном положении заслонки и неподвижном золотнике расход через сопло равен расходу через постоянный дроссель:

Рассчитав диаметр дросселя, определяется число Рейнольдса:

где ν – коэффициент кинетической вязкости.

Вычисляется число Рейнольдса для течения жидкости через дроссель и проверяется по графику значение коэффициента расхода. При больших расхождениях с принятым значением необходимо произвести повторный расчет диаметра дросселя.

Для улучшения характеристик дросселя сопло-заслонка необходимо добиваться условия, при котором потери давления на рабочей части сопла много больше потерь давления на нерабочей, т.е. .

Учитывая данные рекомендации, площадь зазора сопла определяется:

Отношение площадей с учетом безразмерного значения коэффициента γ определяется:

С учетом полученного значения соотношений площадей, определенного значения коэффициента расхода дросселя и, задавшись значением коэффициента расхода переменного дросселя сопло-заслонка μ_С=0,65, определяется площадь торца сопла:

диаметр сопла

Далее необходимо вычислить число Рейнольдса для сопла и проверить по графику значения коэффициента расхода. При больших расхождениях необходимо произвести повторный расчет площади сечения зазора сопла с учетом уточненного значения коэффициента расхода.

Учитывая, что коэффициент β характеризует соотношение давлений на нерабочей части сопла и постоянного дросселя, необходимо более точно определить значение коэффициента расхода μ_н:

где - сумма коэффициентов сопротивления всех участков потерь давления на нерабочей части сопла.

Приближенно значение данного коэффициента можно определить по графику. После этого необходимо уточнить значение коэффициента β.

Определяется коэффициент усиления гидроусилителя сопло-заслонка по расходу:

Исходя из выражения для определения постоянной времени, можно определить коэффициент обратной связи:

Для подпружиненного золотника необходимо определить жесткость пружин для этого определяется значение коэффициента усиления гидроусилителя сопло-заслонка по давлению К_Qp:

Жесткость пружин золотника определяется из выражения

В условиях статического равновесия должно выполняться равенство

Исходя из зависимости 23 выбираются параметры электромеханического преобразователя.

15